Влияние несимметричного режима электрической сети на работу потребителей электрической энергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 624.07:534.1

Влияние несимметричного режима электрической сети на работу потребителей электрической энергии

Н. В. Чижикова

ФГБОУВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»,

г. Рыбинск, Российская Федерация E-mail: chizhikovanatalya@yandex.ru

Авторское резюме

Состояние вопроса: Существующие устройства устранения несимметрии, имеющие дискретный характер регулирования, не учитывают резкопеременный характер нагрузок, включенных в сложные электротехнологические комплексы, и не обеспечивают точности параметров симметрирования сети. В данных условиях необходимо применение таких устройств, в которых могло бы осуществляться с достаточно высоким быстродействием непрерывное изменение параметров элементов схемы Штейнметца (индуктивности и емкости) в соответствии с изменением нагрузки.

Материалы и методы: Для решения поставленных задач использованы численно-аналитические и экспериментальные методы исследования. С помощью анализатора электропотребления AR-5 и программного пакета Power Vision дана оценка несимметрии, имеющей место при работе комплекса установок для выращивания монокристаллов лейкосапфира «Апекс-М».

Результаты: Разработано схемотехническое решение быстродействующего симметрирующего устройства на базе магнитовентильных элементов с плавнорегулируемым изменением характера проводимости, позволяющего обеспечить оптимальный уровень симметрии в электротехнологическом комплексе установок для выращивания монокристаллов.

Выводы: Установлено, что применение комплекса быстродействующих симметрирующих устройств на базе магнитовентильных элементов с использованием модульного алгоритма управления позволяет снизить коэффициент несимметрии до нормального уровня, что способствует повышению эффективности как самой питающей сети, так и энергокомплекса в целом.

Ключевые слова: несимметрия, несимметричный режим, коэффициент несимметрии, показатели качества электроэнергии, повышение качества электроэнергии.

Influence of electrical network unbalanced conditions on electric power consumers

N.V. Chizhikova

Rybinsk State Aviation Technology University, Rybinsk, Russian Federation E-mail:chizhikovanatalya@yandex.ru

Abstract

Background: The existing devices eliminating the unbalance through discrete adjustment do not take into account the fast-variable nature of loads in complex electric technology systems and do not provide sufficient accuracy of network parameter balancing. Under these conditions it is necessary to use fast-response devices which could continuously modify parameters of the Steinmetz circuit elements (inductance and capacitance) according to load changes. Materials and methods: The set problems were solved by numerical analytic and experimental methods. Using the power consumption analyzer AR-5 and the software package Power Vision, the authors assessed the level of the unbalance in the installation complex used for growing single crystals of leucosapphire «Apex-M».

Results: The authors have developed a scheme of a fast-response symmetrizing device (SD) based on magneto-valve elements with continuously adjustable conductivity modification which makes it possible to achieve the optimal level of symmetry in the electric technology installations used for growing leucosapphire monocrystals.

Conclusions: It has been determined that using the fast-response symmetrizing device (SD) based on magneto-valve elements with a modular control algorithm reduces the unbalance parameter to the normal level which increases the efficiency of both the supply line itself and the power system as a whole.

Key words: Unbalance, unbalanced conditions, unbalanced factor, electric power quality coefficients, energy efficiency increasing.

От электрических сетей систем электро- электроснабжения данного комплекса имеет снабжения питаются различные электротехни- вид, представленный на рис. 1. ческие комплексы, мощность которых составляет более 1 МВт. Рассмотрим комплекс промышленных установок, включенных в технологический процесс выращивания монокристаллов лейкосапфира по методу Киропулоса. Система

ачЗОт^

Й

и V

Рис. 1. Комплекс системы электроснабжения промышленных установок для выращивания монокристаллов лейкосапфира по методу Киропулоса: 11-1„ - ростовые установки; 2 -трансформатор; 3 - конденсаторная установка; 4 - прочие однофазные и трехфазные потребители

Каждый элемент данного комплекса представляет собой нагрузку, включенную в трехфазную сеть по одно-трехфазной схеме. Такое электропитание отрицательно сказывается на параметрах симметрии трехфазной питающей системы и работе других потребителей. В связи с этим проведем анализ уровня несимметрии на данном объекте, оценку влияния несимметричного режима на работу потребителей электроэнергии, входящих в данный электротехнологический комплекс, а также разработку обоснованных мероприятий по симметрированию электрической сети.

Нами была произведена оценка уровня несимметрии, имеющей место при работе электротехнологического комплекса, включающего в себя ростовые установки для выращивания монокристаллов «Апекс-М» с помощью программно-технического решения, выполненного на базе анализатора электропотребления АР-5 и программного пакета РошеМэюп. На рис. 2 представлены суточные графики изменения линейного напряжения в трехфазной электрической сети.

Рис. 2. Графики изменения линейного напряжения: 1 - иАВ; 2 - иве; 3 - исА

Анализ графиков (рис. 2) показывает наличие явной несимметрии линейных напряжений.

Для количественной оценки несимметрии была использована методика, приведенная в ГОСТ 13109-97. В качестве критерия несимметрии был выбран коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности е2и для междуфазных напряжений, который определяется как результат усреднения N наблюдений е2щ на интервале времени 24 часа:

-2и

■2и/

„ _ и2(1)/ . 100 е2и/ _ и--,

ином мф

(3)

и2(1)/ - 0,62Синб(1)/ - инм(1)/),

где иноммф - номинальное значение междуфазного напряжения; и2(1)/ - действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжения в каждом /-м наблюдении; инб(1)/, инм(1)/ -наибольшее и наименьшее действующие значения из трех междуфазных напряжений основной частоты в /-м наблюдении, В, кВ.

В результате вычислений, произведенных по (1)-(3), коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности получился равным е2и = 3,14, что превышает предельно допустимые нормы.

Рассмотрим воздействие несимметричного режима электрической сети на работу подключенных к ней потребителей.

Несимметричный режим негативно сказывается непосредственно на самих ростовых установках (рис. 1, 11-1п). Каждый элемент 1-1 п представляет собой отдельно взятую ростовую установку, функциональная схема электроснабжения которой представлена на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема электроснабжения установки для выращивания монокристаллов: 1 - ростовая установка (11 - расплав, 12 - монокристалл, 13 - затравка, 14 - охлаждаемый водой держатель затравки, 15 - нагреватель); 2 -вакуумный насос (21 - асинхронный двигатель); 3 - водяной насос (31 - асинхронный двигатель); 4 - регулятор тока; 5 -трансформатор

Возникающие несимметричные режимы сети при работе однофазных ростовых установок приводят к изменению фазности и величины однофазных питающих напряжений. Это обстоятельство негативно влияет на режимы регулирования температуры. Нарушение температурного режима приводит как минимум к изменению направления кристаллизации монокристалла и образованию дефектных включений, пузырьков, примесей и как максимум к лавинной кристаллизации - «замерзанию».

В соответствие с [1], средний уровень по-терь(процент брака) определяется по формуле

(4)

N

(1)

р,/ _ ^]>п (0/н - 0/ ьк(0/ - 0/н)ка ,

где 0/ - текущая температура; 0нн - номинальная температура; Т - время анализа; Ьк - коэффи-

циент полинома аппроксимирующего функцию потерь; sign - функция выделения знака.

Согласно (4), при температуре, соответствующей номинальному режиму, потери отсутствуют. При увеличении отклонения от номинальной температуры в меньшую сторону функция потерь возрастает.

Регулирование и поддержание необходимой температуры в установках для выращивания монокристаллов осуществляется за счет вакуумных и водяных насосов (рис. 3). Асинхронные двигатели (АД),входящие в их состав, являются особо чувствительными к наличию несимметрии напряжений. Наличие даже незначительной несимметрии на зажимах приводит к значительному увеличению потерь активной мощности и, как следствие, к дополнительному нагреву обмоток.

Коэффициент потерь мощности АД при несимметричном режиме определяется из выражения [2]

K,

= лрл,

рАД - АРМ1НОМ^П / Р Н = Г11П / 005 фп,

где РН - номинальная активная мощность двигателя; г1 - активное сопротивление статорной обмотки; п - КПД двигателя; еоэф - номинальный коэффициент мощности.

Дополнительные потери активной мощности, обусловленные несимметрией, могут быть определены из выражения

(

ЛРАД - КАД

2,414 + У

v=2

Дополнительный

и,

2 ^

перегрев обмоток АД, вызванный несимметрией, определяется по упрощенной формуле

Лт =

280 b

(

1,55 е2и

.1,39 у

v=2

где В - тепловой параметр асинхронного двигателя.

Продолжительность жизни изоляции рассчитывается как

/2

z = exp

-280 (1,55sU +1,39 у -Ц=) v

v=2

Величина, обратная г, называется кратностью снижения срока службы:

у = 1/г = ехр ЬАт.

Согласно расчетам и опытным данным, при повышении температуры изоляции примерно на 8° срок ее службы уменьшается в 2 раза. При повышении коэффициента несимметрии до 4 % срок службы АД сокращается вдвое только за счет дополнительного нагрева, а при увеличении коэффициента несимметрии до 5 % мощность двигателя уменьшается на 5-10 % [3].

Несимметрия напряжений отрицательно сказывается и на силовых трансформаторах, к которым подключается трехфазная сеть (рис. 1), вызывая протекание в них токов обратной последовательности, вследствие чего возникают дополнительные потери активной мощности [2]:

лрт=6:

Лр

лр

Х.Х

К.З

-'К.З

где ЛРХХ = 3UHIХХ cosф ХХ - потери холостого

хода в номинальном режиме;

ЛРК .3 = 31 к.зГк .з.к

потери короткого замыкания в симметричном номинальном режиме.

Дополнительные потери в трансформаторах сопровождаются повышением температуры обмоток и, как следствие, сокращением срока их службы. Перегрев обмоток трансформатора определяется как разность между превышением температуры обмотки над температурой внешней среды при заданном режиме и при номинальном:

1

Лт = т,

об-в

°(об-в)н

= «1% +

у-

d + d-,v2 + d-.

V=2 ^ '

где аЕ, d1, d2 = 0,03а1, d3 = 1,291 а2 - коэффициенты, средние значения которых различны для каждого конкретного электрооборудования.

При несимметрии токов трансформатора нагрев масла будет меньше, чем в случае симметричной нагрузки при токе фаз, равном току наиболее загруженной фазы (в результате обмотка этой фазы охлаждается более интенсивно).

Для компенсации реактивной мощности, ограничения и поддержания напряжения в трехфазной сети к ней подключаются конденсаторные установки (рис. 1). Эти установки усиливают несимметричный режим, поскольку выдача реактивной мощности в сеть в фазе с наименьшим напряжением будет меньше, чем в остальных фазах.

При несимметрии напряжений они неравномерно загружаются реактивной мощностью по фазам, что делает невозможным полное использование установленной мощности, приводя к существенному возрастанию температуры конденсаторов и сокращению срока их службы.

Дополнительные потери в конденсаторной установке, обусловленные несимметрией, определяются как [3]

(

\

АРдоп = он <9§ ^ + £ vu2v

V 2=2

где Он - номинальная реактивная мощность конденсаторной установки; 1д5 - тангенс угла потерь диэлектрика на основной частоте.

Дополнительный нагрев конденсаторной

установки при этом рассчитывается по формуле

( <*>

Ат = ^н е2 + £ 2и2 V 2=2

где &Н - перепад температуры между наиболее нагретой точкой конденсатора и окружающей средой при симметричном напряжении.

Кратность снижения срока службы конденсаторной установки определяется как

у = ехр

I и

V=2

Наряду с вышеперечисленными установками, в промышленный комплекс, предназначенный для выращивания монокристаллов по методу Киропулоса, входят и другие одно-трехфазные потребители (рис. 1), на которые оказывает существенное влияние несимметричный режим. Превышение допустимых норм коэффициента несимметрии оказывает отрицательное влияние на работу осветительной аппаратуры, используемой в технологическом процессе, вызывая отклонение напряжения, которое, в свою очередь, влияет на такие важные показатели, как световой поток, световая отдача и срок службы. При снижении напряжения на 7- 10 % снижается надежность люминесцентных ламп, а их световая отдача снижается пропорционально снижению уровня напряжения.

Функциональная связь между эффективностью работы приемника и уровнем напряжения выражается в виде соотношения

1 = еъи2 + съи,

где 1 - удельный экономический ущерб от напряжения, не соответствующего нормам; а, с - коэффициенты экономической невыгодности, зависящие от типа лапы; ъи - отклонение напряжения от номинального на зажимах приемника.

В целях устранения несимметричного режима и приведения коэффициента несимметрии к нормируемому значению применяются симметрирующие устройства (СУ), распределяющие токи между фазами электрической сети и приводящие коэффициент несимметрии к нормируемому значению.

Существующие на сегодняшний день СУ, в большинстве своем, основаны на схеме Штейн-метца и представляют собой дискретные элементы - индуктивность и емкость. Параметры нагрузки в них изменяются методом дискретного регулирования, однако при этом не обеспечивается точность параметров симметрирования сети в сложном электротехнологическом комплексе (рис. 1), поскольку установки по выращиванию монокристаллов [4] представляют собой резкопеременную нагрузку. В этом случае требуется применение плавнорегулируемых пофаз-ных элементов.

В целях обеспечения оптимального уровня симметрии в электрической сети, питающей комплекс установок по выращиванию монокристаллов, предлагается применение группы быстродействующих СУ с плавнорегулируемым изменением характера проводимости (емкостного или индуктивного) от 0 до номинального значения. Межфазный вариант СУ представлен на рис. 4, его регулировочная характеристика - на рис. 5.

©

х

Ж

Рис. 4. Принципиальная схема межфазной СУ на базе маг-нитовентильных элементов: 1 - управляемый дроссель; 2 -управляемый конденсатор; 3 - тиристорная пара; 4 - блок управления О. СУ, кВАР

I

М ¿СУ=0 -Щ <т/'1>яд-

Рис. 5. Регулировочная характеристика СУ

Управление СУ в соответствие с регулировочной характеристикой осуществляется с применением системы автоматического регулирования несимметрии одноплечевой нагрузки (рис. 6).

Рис. 6. Структурная схема системы автоматического регулирования (САР) несимметрии одноплечевой нагрузки: ДТ -датчик тока; ДН - датчик напряжения; МК - микроконтроллер; СУ1, СУ2 - симметрирующие устройства 1 и 2; БУ СУ1, БУ СУ2 - блоки управления симметрирующими устройствами

Таким образом, для к-го количества однофазных нагрузок, входящих в комплекс установок по выращиванию монокристаллов, необходимо применить к-количество СУ и блоков САР, тем самым обеспечивая оптимальный уровень несимметрии в электрической сети и предотвращая негативное воздействие несимметричного режима на работу потребителей электрической сети.

В результате применения предлагаемой системы автоматического регулирования получены графики напряжений, представленные на рис. 7. При этом коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности составляет К2и = 0,41.

4Мт м|

Mi

"щ »Ii VI" \ t чл^ЧлУ/

USE 1 Irl. <

1№> 21» Ш Ж м W М IM

Рис. 7. Графики изменения линейного напряжения в результате применения системы автоматического регулирования быстродействующим СУ: 1 - UAB; 2 - UBC; 3 - UCA

Заключение

Применение комплекса быстродействующих СУ на базе магнитовентильных элементов с использованием модульного алгоритма управления позволяет снизить коэффициент несимметрии до нормального уровня, что способствует повышению эффективности как самой питающей сети, так и энергокомплекса в целом.

Список литературы

1. Юдин А.В. Методология создания автоматизированных систем обеспечения стабильности условий роста монокристаллов в электротермических установках: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Рыбинск, 2011. - С. 4-10.

2. Иванов В.С., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электрической энергии систем электроснабжения промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1987. -336 с.

3. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества энергии в электрических сетях. - Киев: Наук. думка, 1985. - 268 с.

4. Манин А.В., Юдин А.В., Чижикова Н.В. Повышение энергоэффективности работы установок по производству монокристаллов методом Киропулоса // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии. - 2011. - № 2 (21). - С. 126-129.

References

1. Yudin, A.V. Metodologiya sozdaniya avtomatiziro-vannykh sistem obespecheniya stabil'nosti usloviy rosta monok-ristallov v elektrotermicheskikh ustanovkakh. Avtoref. diss. d-ra tekhn. nauk [Methods of developing automated systems ensuring the stability of single crystal growth in electrothermal installations. Abstract Dr. tech. sci. diss.]. Rybinsk, 2011, pp. 4-10.

2. Ivanov, V.S., Sokolov, V.I. Rezhimy potrebleniya i kachestvo elektricheskoy energii sistem elektrosnabzheniya promyshlennykh predpriyatiy [Consumption regimes and power quality of industrial plants power systems]. Мoscow, Energoa-tomizdat, 1987. 336 p.

3. Shidlovskiy, A.K., Kuznetsov, V.G. Povyshenie kachestva energii v elektricheskikh setyakh [Power quality enhancement in electrical networks]. Kiev, Naukova dumka, 1985. 268 р.

4. Manin, A.V., Yudin, A.V., Chizhikova, N.V. Povyshenie energoeffektivnosti raboty ustanovok po proizvodstvu monok-ristallov metodom Kiropulosa [Increasing the power efficiency of monocrystal producing installations by the Kyropoulos tecnhi-que]. Vestnik Rybinskoy gosudarstvennoy aviatsionnoy tekhnologicheskoy akademii, 2011, no. 2 (21), pp. 126-129.

Чижикова Наталья Вадимовна,

ФГБОУВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», аспирант кафедры электротехники и промышленной электроники, e-mail: chizhikovanatalya@yandex.ru